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3.- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 1.- INTRODUCCIÓN El concepto de control es muy amplio ya que abarca desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una lámpara eléctrica o la válvula que regula el paso del agua por una cañería, hasta el complejo sistema de computadoras que controlan el funcionamiento de una refinería o el piloto automático de un avión. Podríamos definir al control como el manejo indirecto de las magnitudes de un sistema de producción, llamado planta o proceso, por otro sistema llamado sistema de control. Los primitivos sistemas, de los cuales derivaron los actuales, aparecieron junto con la "Revolución Industrial" del siglo XIX. El paso más grande ocurrió en los años 70 del siglo actual con la aparición de los circuitos integrados y en particular los llamados microprocesadores. El costo de los grandes computadores de esa época permitió el desarrollo de dispositivos más pequeños, y de uso más restringido, pero capaces de manejar potencias más elevadas, llamados PLC "Programable Logic Controller". En la actualidad tenemos disponibles en el mercado sistemas muy económicos y que ofrecen una amplia gama de prestaciones y compatibilidad para conectarse con otros y con computadores centrales para formar redes de control distribuido que cubren todas las necesidades de la industria. El gráfico que tenemos a continuación muestra los pasos a seguir para desarrollar un proyecto de un sistema de control. Pero antes de proceder con el desarrollo hay que conocer los siguientes datos: a) Las especificaciones técnicas del proceso a automatizar y su correcta interpretación. b) La parte económica asignada para no caer en el error de elaborar una opción válida desde el punto de vista técnico, pero inviable económicamente. c) Los materiales, aparatos, etc., existentes en el mercado susceptible a ser utilizados, y de ellos en particular la calidad de la información técnica y la disponibilidad de los mismos, sus repuestos y asistencia técnica.
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1.1 - SISTEMAS DE CONTROL El objetivo de un sistema de control es gobernar la respuesta del sistema controlado sin que deba intervenir directamente un operario sobre los elementos de salida. El operario manipula solamente las magnitudes de salida deseadas de ese sistema, llamadas las consignas, y el sistema de control se encarga de gobernarlas por medio de los accionamientos o actuadores correspondientes. El concepto lleva de alguna manera implícita que el sistema de control opera con magnitudes de baja potencia, llamadas señales, y con ellas los actuadores son los que realmente controlan la energía o elementos de entrada y salida del sistema controlado. Lo expresado puede entenderse como que el sistema de control es un mero conversor amplificador de potencia que ejecuta las órdenes dadas a través de las consignas. Este tipo de control se denomina de lazo abierto porque no recibe ninguna información del comportamiento del sistema controlado, que llamaremos en adelante la planta . El operador debe verificar que la planta responde como está previsto, caso contrario deberá cambiar las consignas o recalibrar el sistema.
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Sin embargo lo habitual es que es sistema de control se encargue de tomar ciertas decisiones ante determinados comportamientos de la planta, denominándose en este caso control automático . Para esta función se requieren de elementos que detecten o midan las salidas de la planta denominados sensores , y de interfaces que adapten la salida de esos sensores a lo requerido por el controlador. Esto establece un retorno de la salida a la entrada, denominada realimentación , obteniéndose un sistema de lazo cerrado, o realimentado. Al conjunto de señales de consignas y de realimentación se las denomina entradas y al conjunto de las señales de control obtenidas se las denomina salidas.
Sobre la base de lo expresado un sistema de control puede estar integrado por los siguientes bloques: a) Unidad de control b) Actuadores o accionamientos c) Sensores d) Interfaces 3
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1.2 - AUTOMATISMOS ANALÓGICOS Y DIGITALES Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso, los sistemas de control pueden dividirse en los grupos siguientes: a) Sistemas digitales b) Sistemas analógicos c) Sistemas híbridos
Los sistemas digitales utilizan señales todo o nada, si o no, llamadas señales binarias por poseer sólo dos estados: abierto o cerrado, alto o bajo, etc. Estos niveles o estados se representan por variables lógicas o bits, cuyo valor sólo puede ser 0 o 1 y emplean la notación binaria del álgebra de Boole. Dentro de estos sistemas se pueden distinguir dos subgrupos: los que utilizan un sólo bit denominados automatismos lógicos y aquellos que procesan señales de varios bits para representar cantidades numéricas y que son conocidos como automatismos digitales.
Los sistemas analógicos trabajan con señales continuas con un margen de variación determinado. Suelen representar magnitudes físicas del proceso, como presión o temperatura por ejemplo, mediante una tensión o corriente proporcionales a su valor. Los valores típicos de los rangos son de 0 a 10 voltios o de 4 a 20 miliamperios que representan los valores inicial y final del rango elegido para la variable que representan.
Los sistemas modernos con un cierto grado de complejidad, y en particular los autómatas programables, son casi siempre híbridos procesando señales de los dos tipos anteriores. En la actualidad se tiende al procesamiento en forma digital basados en un microprocesador que trata las señales todo o nada como un bit y las analógicas como numéricas. Dado que existen muchos sensores y actuadores que trabajan con señales analógicas, las interfaces deben de realizar la conversión analógica-digital (llamada A/D) para obtener una señal digital a partir de la analógica, y la digital-analógica (llamada D/A) para obtener señales analógicas a partir de las cantidades numéricas que suministra el controlador digital.
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La figura muestra una unidad de control digital con las interfaces de entrada y salida para operar con señales analógicas. El hecho de estar a un mismo nivel en el gráfico de ninguna manera implica que a toda señal de entrada de un tipo le deba corresponder una salida del mismo tipo, ni tampoco que el número de entradas sea igual al de salida. Las señales serán digitales o analógicas según lo requieran los dispositivos sensores y actuadores o registradores. Si el sistema de control es híbrido, por ejemplo electroneumático, tendremos interfaces que conviertan las señales eléctricas a neumáticas y viceversa.
1.3 - SISTEMAS CABLEADOS Y PROGRAMABLES Las opciones tecnológicas generales pueden verse en el cuadro siguiente:
El sistema de " lógica cableada" surgió como paso previo al de lógica programada. Estos sistemas cableados realizan una función de control fija, que depende de los componentes y de como están conectados entre sí. Son sistemas poco adaptables. La lógica debe entenderse que será cableada si se usan sistemas eléctricos puros, pero será con cañerías si se usan sistemas neumáticos, o bien constarán de ambos medios de conducción de las señales si son híbridos. El éxito de los sistemas de " lógica programable" reside en el hecho de estar compuestos por elementos comunes (hardware standard) y lo que se cambia es el programa (software). Esto permite una rápida y segura adaptación a nuevas exigencias de la producción, condición muy importante en el mercado competitivo actual. Por otra parte no son equipos caros ni consumen grandes energías. La tabla siguiente muestra una comparación entre los dos sistemas:
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Un sistema puede utilizar combinaciones de distintas tecnologías conforme a los requerimientos de la instalación, por ejemplo: en la industria del petróleo y de combustibles en general, se utilizaron siempre actuadores neumáticos, debido a los riesgos de incendios provocados por alguna descarga eléctrica accidental. Pero cada vez más se usa la tecnología eléctrica y electrónica para el control, supervisión y optimización de los procesos, dejando el comando de las válvulas con actuadores neumáticos. Entre los sistemas programables podemos establecer la separación entre los de " programa fijo" realizado a medida de los requerimientos del usuario por el fabricante, y los programados por el usuario, o de " programación abierta ". La única desventaja que tiene la programación abierta es la necesidad de contar con técnicos especializados en el diseño del sistema de control, o de sus modificaciones, y en la programación de los dispositivos de control. La tabla siguiente establece la comparación entre lógica cableada con relés, la lógica programada a medida o fija, y la lógica programada por el usuario.
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Los sistemas de control modernos utilizan como unidades de control autómatas programables (PLC) que incluyen total o parcialmente las interfaces con las señales del proceso. Se trata de sistemas de hardware standard, con capacidad de conexión directa a las señales de campo y programable por el usuario. El concepto de hardware standard se complementa con el de modularidad, entendiendo como tal al hecho que el hardware está fragmentado en partes interconectables que permiten configurar un sistema a la medida. Se dispone de unidades con un mínimo de entradas y salidas (por ejemplo 8 y 6 respectivamente), pero con previsión de unidades de expansión que le permiten llegar a 128 o 256 entradas/salidas. Para aplicaciones más complejas se dispone de conjuntos de varios miles de señales conectadas por una única unidad central. También existe la posibilidad de grandes PLC con distintos tipos de CPU adaptadas a la tarea específica e incluso múltiples CPU trabajando en paralelo en tareas distintas. Esta adaptabilidad ha progresado pasando del control supervisor, de una CPU central, al de inteligencia distribuida mediante la comunicación entre PLCs y un computador central. 7
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Algunos procesos complejos requieren sistemas de control con una gran capacidad de cálculo, conexión a estaciones gráficas, múltiples canales de comunicación, capacidad de multiprocesamiento, etc. Para ello se disponía de minicomputadores que tenían interfaces adaptadas a las necesidades del proceso. Estas configuraciones eran caras y poco adaptadas a cambios en el proceso. Ahora se han reducido los costos y, mediante la normalización de los códigos de comunicaciones, se ha facilitado la interconexión entre productos de diferentes fabricantes. Por otra parte la frontera entre un autómata programable de gran poder y un computador se ha hecho realmente difusa. La combinación entre autómatas y computadores resulta en un sistema que ofrece las siguientes prestaciones: * Sistema programable con gran potencia de cálculo. * Gran cantidad de software estandar para el manejo de datos y gestión de la producción. * Interfaces estandar de computador para estaciones gráficas utilizadas para monitorear el proceso. 8
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* Control descentralizado con inteligencia distribuida, sin interrumpir todo el proceso ante fallos. * Sistemas de comunicación estandar de LAN o WAN. * Facilidad de interfaz con la planta. * Mantenimiento fácil por sectores. * Disponibilidad de herramientas de test, optimización y mantenimiento. * Posibilidad de visualizar el proceso en tiempo real. * Programación fácil a nivel de secciones. * Facilidad para realizar cambios, permitiendo hacerlos sin parar el control del proceso.
1.4 - COMPONENTES Y MODELOS Los sistemas están compuestos en general de componentes o subsistemas del tipo mecánico, neumático, hidráulico, eléctrico, o fisicoquímico. Son muchas tecnologías que hacen necesario establecer un lenguaje común para la integración óptima de todas ellas en un sistema. Físicamente ese enlace lo realizan los sensores y las interfaces. Pero a nivel de caracterizar su comportamiento se requiere un modelo independiente de la tecnología que permita tratar a todos ellos con una metodología común. El modelo permite tratar a cada componente o subsistema como una "caja negra" a la que se asocia una función de transferencia que relaciona las magnitudes de salida de interés con las magnitudes de entrada y que permite conocer su comportamiento una vez conocido su estado inicial y las señales de entrada aplicadas. Este enfoque nos permitirá tratar cualquier sistema, o parte del mismo, mediante un diagrama de bloques, que permite representar mediante un simbolismo común elementos de diversas tecnologías, que, a pesar de ello, aparecerán como homogéneos.
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Por ejemplo: para el especialista en relés el esquema eléctrico es un modelo que le permite analizar el comportamiento del sistema, pero este modelo no tiene significado para el especialista en hidráulica que utiliza otros esquemas. Ambos tienen en común el que emplean elementos todo o nada, los que pueden representarse con el modelo común del álgebra de Boole, que sería el modelo común independiente de la tecnología. La figura de la página siguiente ilustra este concepto. Los sistemas analógicos pueden tratarse con funciones algebráicas continuas que relacionan las magnitudes de entrada con las de salida. Para estos sistemas se usan, como herramientas matemáticas, la transformada de Laplace para los analógicos, y la transformada en z para los digitales muestreados. El conocimiento de esas herramientas matemáticas es imprescindible para el diseño de los sistemas de control, pero no es necesario para entender su funcionamiento.
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